Blog

Vai trò của các Linh kiện Thụ động trong Hệ thống RF và Viễn thông

Hiểu rõ hơn về các Linh kiện Thụ động trong Hệ thống RF và Viễn thông

Các linh kiện thụ động tạo thành những khối xây dựng nền tảng cho hệ thống RF và viễn thông, cho phép xử lý tín hiệu quan trọng mà không cần khuếch đại hay điều khiển chủ động. Không giống như các linh kiện chủ động như transistor hay bộ khuếch đại, các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn cảm hoạt động chỉ thông qua tương tác trường điện từ. Các chức năng chính của chúng bao gồm:

• Khớp trở kháng : Đảm bảo việc truyền công suất hiệu quả giữa các tầng mạch.
• Lọc : Chặn các tần số không mong muốn trong khi vẫn giữ được độ nguyên vẹn của tín hiệu.
• Lưu trữ năng lượng : Tạm thời lưu trữ điện tích hoặc năng lượng từ tính để điều chỉnh thời gian và độ ổn định.

Các linh kiện này là không thể thiếu để định hình hành vi tín hiệu, đặc biệt trong môi trường tần số cao nơi mức tổn hao chèn tối thiểu và sự phối hợp trở kháng chính xác quyết định hiệu suất hệ thống.

Phân phối và kết hợp tín hiệu trong Mạng viễn thông

Các thành phần thụ động như bộ chia công suất đóng vai trò rất quan trọng trong các mạng viễn thông hiện đại ngày nay khi cần phân phối tín hiệu trong các hệ thống đa ăng-ten và các đơn vị radio phân tán mà chúng ta thấy phổ biến hiện nay. Khi một tín hiệu RF đi vào một trạm gốc, thường sẽ có nhu cầu chia tín hiệu đó thành nhiều đường khác nhau để nó có thể đến được tất cả các ăng-ten hoặc các trạm nhỏ mà không làm rối loạn độ trễ giữa chúng. Hầu hết các kỹ sư đều dựa vào các bộ ghép định hướng hoặc bộ chia Wilkinson để thực hiện nhiệm vụ này. Các thiết bị này thực sự có thể chia tín hiệu theo tỷ lệ lên đến 1:32, đồng thời duy trì mức suy hao chèn (insertion loss) dưới 0,5 dB theo các phép đo được thực hiện xung quanh dải tần số 3,5 GHz trong các bài kiểm tra thực địa năm ngoái. Khi nhìn vào cách các hệ thống con RF hoạt động trong cơ sở hạ tầng không dây hiện tại, ta thấy rằng các thành phần thụ động đơn giản này có ảnh hưởng lớn đến khả năng mà các mạng 5G có thể đạt được về dung lượng và thời gian phản hồi, bởi vì chúng làm cho kỹ thuật định hình tia (beamforming) và gộp kênh tần số (carrier aggregation) trở nên chính xác hơn. Thách thức đối với các nhà thiết kế là tìm ra sự cân bằng phù hợp giữa mức công suất mà các thành phần này có thể chịu đựng được và kích thước nhỏ gọn mà chúng cần có, đặc biệt là ở các khu vực đô thị đông đúc nơi các tần số mmWave đòi hỏi các linh kiện phải vừa vặn trong không gian cực kỳ hạn chế.

Cách Hoạt Động Của Bộ Chia Công Suất: Chức Năng Chính Và Đặc Điểm Cốt Lõi

Chức Năng Của Bộ Chia Công Suất Trong Phân Phối Tín Hiệu

Bộ chia công suất cơ bản là các linh kiện thụ động được sử dụng rộng rãi trong các mạng viễn thông. Chúng nhận tín hiệu tần số radio đầu vào và chia tín hiệu đó thành nhiều đường đầu ra trong khi vẫn giữ được sự cân bằng trở kháng. Nhiệm vụ chính của các thiết bị này là phân phối tín hiệu đều khắp các phần khác nhau của mạng, bao gồm cả các ăng-ten thông thường, hệ thống ăng-ten phân tán (DAS) hiện đại và các trạm gốc. Khi thiết lập mạng 5G, các kỹ thuật viên thường cần chia một tín hiệu 3.5 GHz thành hai hoặc bốn đường riêng biệt để có thể phủ sóng đến nhiều khu vực cùng lúc. Điều này giúp các nhà cung cấp dịch vụ đạt được vùng phủ tốt hơn mà không gây ra các vấn đề nhiễu không mong muốn.

So Sánh Bộ Chia Công Suất Và Bộ Ghép Tín Hiệu Trong Ứng Dụng Viễn Thông

Mọi người thường nhầm lẫn giữa chúng, nhưng thực tế bộ chia công suất và bộ kết hợp lại làm những việc ngược nhau. Bộ chia nhận tín hiệu đầu vào từ một nguồn duy nhất và gửi tín hiệu đó đến nhiều điểm khác nhau cùng lúc. Bộ kết hợp thì ngược lại, nó nhận tín hiệu từ nhiều nguồn khác nhau và gộp chúng thành một đường đầu ra duy nhất. Một số mẫu bộ chia có thể hoạt động như một bộ kết hợp khi cần thiết, đặc biệt là những mẫu có khả năng hoạt động song chiều. Ví dụ như các bộ ghép lai (hybrid couplers), thiết bị này cho phép tín hiệu từ hai máy phát riêng biệt gộp lại tại một điểm kết nối ăng-ten duy nhất. Điều thực sự quan trọng ở đây là chúng giữ các tín hiệu riêng lẻ đó không bị ảnh hưởng lẫn nhau. Điều này rất có ý nghĩa tại những nơi mà nhiều tín hiệu không dây được đặt gần nhau như ở các thành phố lớn, bởi nếu không các tín hiệu này sẽ bắt đầu gây nhiễu cho nhau.

Các thông số hiệu năng chính: Tỷ lệ chia, Tổn hao chèn, và Độ cách ly

Ba thông số xác định hiệu suất của bộ chia:

• Tỷ Lệ Chia : Mô tả phân phối đầu ra (ví dụ: 1:2 cho sự chia đều).
• Mất tích nhập : Giảm công suất tín hiệu qua thiết bị, thường từ 0,1–3 dB ở các thiết bị cao cấp. Các nghiên cứu trong ngành cho thấy mức tổn thất dưới 1 dB có thể cải thiện hiệu suất năng lượng của mạng từ 12–18% (Ponemon Institute, 2023).
• Sự cô lập : Ngăn chặn rò rỉ tín hiệu giữa các cổng đầu ra, vượt quá 20 dB ở các mẫu cao cấp để tránh nhiễu trong các hệ thống đa tần.

Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến độ tin cậy của mạng, đặc biệt là trong các hệ thống 5G mmWave nơi tính toàn vẹn tín hiệu là tối quan trọng.

Các loại và sự đánh đổi trong thiết kế bộ chia công suất RF

Bộ chia công suất RF là các thành phần thụ động đóng vai trò then chốt trong việc quản lý tính toàn vẹn tín hiệu trong các hệ thống viễn thông, hiệu suất của chúng có liên quan trực tiếp đến các lựa chọn thiết kế. Dưới đây là phần phân tích về các biến thể chính, sự đánh đổi kỹ thuật và tác động trong vận hành.

Các loại bộ chia công suất phổ biến: Wilkinson, Directional và Resistive

Ba kiến trúc chính của bộ chia công suất RF phục vụ các vai trò riêng biệt:

• Bộ chia Wilkinson sử dụng các bộ chuyển đổi một phần tư bước sóng để chia tín hiệu trong khi vẫn duy trì sự cách ly cổng, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng tần số cao như mảng ăng-ten 5G. Một nghiên cứu năm 2024 về hệ thống RF nhấn mạnh tổn hao chèn thấp của chúng (thường <0,3 dB) và khả năng xử lý mức công suất lên đến 100W.
• Bộ chia hướng sử dụng các đường truyền ghép nối để định tuyến tín hiệu chọn lọc theo tần số, thường được dùng trong ghép song công phân chia tần số.
• Bộ chia điện trở cung cấp băng thông rộng và kích thước nhỏ gọn nhưng đánh đổi sự cách ly (thường <20 dB), làm hạn chế việc sử dụng chúng chỉ trong thiết bị thử nghiệm công suất thấp.

Tổn hao chèn và Cách ly: Ảnh hưởng đến Hiệu suất Mạng

Tổn hao chèn (2–3 dB trong các bộ chia thương mại) trực tiếp làm giảm thông lượng mạng, trong khi mức cách ly không đủ (>30 dB mục tiêu cho 5G) gây rò rỉ tín hiệu giữa các cổng. Ví dụ, tổn hao 1 dB trong một mảng MIMO khối lượng 64T64R có thể làm giảm thông lượng ở rìa tế bào từ 15–20%, theo các thử nghiệm thực địa gần đây.

Các thỏa hiệp thiết kế: Kích thước nhỏ gọn so với Độ cách ly cao và Khả năng xử lý Công suất

Việc thu nhỏ các bộ chia (splitter) cho các tế bào nhỏ thường khiến các kỹ sư phải chấp nhận khả năng chịu công suất thấp hơn 10–15% hoặc mức độ cách ly giảm 5–8 dB. Các vật liệu nền tiên tiến như GaN-on-SiC giúp giảm bớt những tổn thất này, cho phép các bộ chia Wilkinson nhỏ hơn 40% mà vẫn không làm suy giảm hiệu suất tại 2.4 GHz trong các triển khai mmWave gần đây.

Ứng dụng của Bộ chia Công suất trong mạng 5G và Hạ tầng Không dây Hiện đại

Bộ chia Công suất trong Trạm gốc 5G và Các tế bào nhỏ

Bộ chia công suất là bộ phận thiết yếu trong mọi hệ thống 5G, giúp phân phối tín hiệu một cách hợp lý trong các hệ thống ăng-ten MIMO lớn mà chúng ta thường thấy hiện nay. Ngày nay, hầu hết các trạm gốc đều dựa vào chúng để chia nhỏ các tín hiệu tần số cao nhằm phân phối đều đến khoảng 64 hoặc thậm chí 128 điểm ăng-ten khác nhau. Điều này giúp duy trì vùng phủ sóng ổn định trên toàn khu vực và đảm bảo rằng các luồng tia được định hướng chính xác đến đúng vị trí cần thiết. Đối với các trạm nhỏ được lắp đặt trong các thành phố đông đúc, những phiên bản nhỏ gọn của bộ chia này trở nên vô cùng quan trọng. Chúng giúp giảm thiểu các vấn đề về mất mát tín hiệu đồng thời vẫn phù hợp với không gian hạn chế như trên đỉnh cột đèn đường hoặc gắn trên tường tòa nhà, nơi mà các nhóm kỹ thuật viễn thông gặp khó khăn trong việc triển khai do diện tích lắp đặt rất hạn chế.

Triển khai thực tế trên mạng 5G mmWave

Các tần số sóng milimét ở mức trên 24 GHz thực sự gặp khó khăn với các vấn đề lan truyền như bị khí quyển hấp thụ và không thể nhiễu xạ tốt quanh các chướng ngại vật. Đối với các dải tần số cao này, các kỹ sư sẽ sử dụng bộ chia công suất, giúp giảm tổn thất tín hiệu bằng cách chia nhỏ tín hiệu cho các ăng-ten mạng pha này có thể điều hướng luồng tia chính xác đến đúng vị trí cần thiết. Chẳng hạn như một trạm phát 5G tiêu chuẩn ở tần số 28 GHz. Các trạm phát này thường dựa vào bộ chia công suất Wilkinson để đạt được sự cân bằng mong muốn giữa độ cách ly tốt trên 20 dB và giữ tổn hao chèn (insertion loss) dưới mức khoảng 0,3 dB. Cấu hình này cho phép duy trì tốc độ dữ liệu hợp lý ngay cả khi phủ sóng trong phạm vi khoảng 200 mét, mặc dù ai cũng biết rằng sóng milimét (mmWave) vẫn thường yêu cầu đường truyền nhìn thấy rõ (line of sight) để hoạt động hiệu quả trong hầu hết các trường hợp.

Thách thức Quản lý Tín hiệu trong Các Hệ thống Viễn thông Tần số Cao

Đối với các hệ thống 5G tần số cao, bộ chia công suất cần phải xử lý được các điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt trong khi vẫn giữ được mức tổn hao phản hồi (return loss) dưới -15 dB để tránh sự không khớp trở kháng khó chịu. Khi hoạt động ở tần số khoảng 39 GHz, những sai lệch pha nhỏ chỉ dưới 5 độ giữa các tín hiệu đầu ra có thể làm nhiễu loạn các mẫu tia (beam patterns). Loại méo tín hiệu này thực tế làm giảm dung lượng mạng từ khoảng 30 đến 40 phần trăm, theo nghiên cứu của Ponemon vào năm 2023. Các thiết kế tốt nhất hiện nay bắt đầu tích hợp các vật liệu có bù nhiệt độ cùng với các đầu nối được mạ vàng. Các thành phần này giúp duy trì hoạt động ổn định ngay cả khi nhiệt độ môi trường bên ngoài dao động trên 50 độ Celsius hàng năm, điều mà nhiều vị trí triển khai thường xuyên gặp phải.

Bằng cách giải quyết những thách thức kỹ thuật này, các bộ chia công suất vẫn đóng vai trò thiết yếu trong việc mở rộng cơ sở hạ tầng 5G nhằm đáp ứng các yêu cầu dự kiến về tốc độ 10 Gbps và độ trễ dưới 1 ms.

Xu Hướng Tương Lai: Tích Hợp Các Bộ Chia Công Suất Trong IPD Và Các Mô-đun Thu Nhỏ

Thiết Bị Thụ Động Tích Hợp (IPD): Tăng Trưởng Thị Trường Và Ứng Dụng Viễn Thông

Các công ty viễn thông đang nhanh chóng chuyển sang các hệ thống mạng nhỏ gọn và hiệu quả hơn, điều này lý giải tại sao các thiết bị thụ động tích hợp (IPD) đang ngày càng trở nên phổ biến. Những mô-đun bán dẫn nhỏ bé này tích hợp các thành phần như bộ chia công suất, bộ lọc và bộ ghép nối vào chung một đế. Kết quả là các trạm gốc cần ít đi khoảng 40 đến thậm chí 60% số linh kiện so với trước đây, đồng thời hoạt động mát hơn. Trong thời gian tới, khi mạng 5G tiếp tục được triển khai rộng khắp cả nước, các chuyên gia thị trường dự đoán nhu cầu về IPD trong lĩnh vực viễn thông sẽ tăng khoảng 19% mỗi năm cho đến năm 2028. Việc thu nhỏ các đầu cuối RF vẫn là yếu tố chính thúc đẩy xu hướng này theo đa số các nhà quan sát ngành công nghiệp.

Các Bộ Chia Công Suất Như Linh Kiện Được Nhúng Trong Các Mô-đun RF Tiên Tiến

Các nhà sản xuất hàng đầu hiện đang tích hợp trực tiếp bộ chia công suất vào các bộ khuếch đại RF nitride gallium (GaN), cho phép các mô-đun đa chức năng chiếm ít không gian PCB hơn 30% so với các thiết lập rời rạc. Cách tiếp cận đồng thiết kế này cải thiện việc phối hợp trở kháng ở tần số mmWave, giảm tổn hao chèn từ 0,8–1,2 dB trong các ăng-ten mảng quét pha 28 GHz.

Cân bằng giữa độ nhỏ gọn và hiệu suất trong các thiết kế dựa trên IPD

Mặc dù IPD cho phép tiết kiệm không gian chưa từng có, các kỹ sư thiết kế phải đối mặt với sự đánh đổi giữa mức độ cách ly (tối thiểu -25 dB cho mạng 5G) và kích thước gói dưới 2,5 mm². Những tiến bộ gần đây trong tích hợp tụ điện màng mỏng và che chắn thông qua chất nền đã nâng mức cách ly lên -32 dB ở tần số 39 GHz trong các bộ chia công suất IPD sản xuất hàng loạt.

Câu hỏi thường gặp

Các thành phần thụ động trong hệ thống RF và viễn thông là gì?

Các linh kiện thụ động là những thành phần thiết yếu trong các hệ thống RF và viễn thông, bao gồm các yếu tố như điện trở, tụ điện và cuộn cảm. Chúng thực hiện các chức năng quan trọng như phối hợp trở kháng, lọc và lưu trữ năng lượng mà không tạo ra độ lợi hay điều khiển chủ động.

Bộ chia công suất hoạt động như thế nào trong các mạng viễn thông?

Bộ chia công suất được sử dụng để chia tín hiệu radio tần số đầu vào thành nhiều đường đầu ra trong khi vẫn duy trì sự cân bằng trở kháng. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc phân phối tín hiệu đồng đều trong các mạng viễn thông, đặc biệt là trong các hệ thống 5G.

Sự khác biệt giữa bộ chia công suất và bộ gộp tín hiệu là gì?

Bộ chia công suất chia một tín hiệu đầu vào đơn thành nhiều đường, trong khi bộ gộp tín hiệu kết hợp các tín hiệu từ nhiều nguồn thành một đường đầu ra duy nhất. Một số thiết bị nhất định, như bộ ghép lai (hybrid couplers), có thể thực hiện cả hai chức năng này.

Tại sao độ suy hao chèn lại quan trọng trong bộ chia công suất RF?

Mất mát chèn (Insertion loss) đề cập đến việc giảm công suất tín hiệu khi nó đi qua bộ chia. Mất mát chèn thấp hơn sẽ nâng cao hiệu suất năng lượng của mạng và hiệu năng hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng tần số cao.

Những xu hướng tương lai nào đang tác động đến thiết kế bộ chia công suất RF?

Việc tích hợp các bộ chia công suất vào các mô-đun thu nhỏ và IPD là một xu hướng quan trọng, giúp cải thiện hiệu suất và giảm số lượng linh kiện cần thiết trong các hệ thống viễn thông.